Столетнее исследование космических лучей так и не привело к полному пониманию физики ускорения регистрируемых частиц. Однако регистрация протонов высоких энергий, обнаруженных на Солнце, вселяет надежду на получение новой информации о механизме генерации космических лучей. Научный сотрудник Лаборатории физики Солнца и космических лучей ФИАНа Александр Игоревич Подгорный рассказал о связи зарегистрированных потоков высокоэнергичных протонов с конкретными вспышками и активными областями на Солнце, обнаруженной в исследованиях совместной научной группы ФИАНа и ИНАСАНа.
Фотографии развития солнечной вспышки по данным аппарата SDO, опубликованным на сайте аппарата
При солнечной вспышке происходит взрывное выделение энергии в солнечной короне над активной областью. За несколько минут энергия, запасенная в магнитном поле токового слоя, переходит в тепло и энергию ускоренных частиц. При этом наблюдаются такие проявления вспышки, как выбросы корональной массы, вызывающие ударную волну; видимое, ультрафиолетовое и микроволновое излучение на различных частотах; импульсные потоки релятивистских протонов (солнечные космические лучи) и др. Исследование солнечных космических лучей позволяет получать новую информацию об ускорении заряженных частиц в космосе, недоступную при исследовании галактических космических лучей, приходящих из далеких областей пространства.
«Чем примечательны процессы ускорения частиц на Солнце? При ускорении в плазме, нагретой до относительно небольшой температуры, появляются частицы с гигантской энергией, типичной для галактических космических лучей. А потому понимание процесса ускорения позволит надеяться на продвижение к решению такой важной проблемы, как происхождение космических лучей,» – поясняет Александр Игоревич.
В настоящее время наиболее популярным механизмом ускорения галактических космических лучей являются ударные волны, возникающие от вспышек сверхновых звезд и т.п. С другой стороны, в качестве основного механизма происхождения солнечных космических лучей рассматривается ускорение в ударных волнах от солнечных вспышек. Однако эти оценки построены на ряде произвольных предположений. И этот факт заставляет ученых сомневаться в однозначности «авторства» ударных волн в генерации космических лучей.
Чтобы рассеять эти сомнения, группой ученых ФИАНа и ИНАСАНа был проведен тщательный анализ и сопоставление данных о солнечных вспышках и солнечных космических лучах.
В ходе исследований производились исследование различий солнечных космических лучей, порождаемых вспышками в западной и восточной части солнечного диска. Результаты наблюдений за западными и восточными потоками привели к несколько неожиданным выводам.
Оказалось, что особенности характеристик потоков частиц связаны с ориентацией силовых линий межпланетных магнитных полей, которые расположены таким образом, что западные частицы пролетают межпланетное пространство вдоль поля, не испытывая рассеяния. Отсутствие линий межпланетного магнитного поля, соединяющих восточную вспышку с Землей, не позволяет протонам от восточной вспышки достичь регистратора без столкновений, двигаясь вдоль линии поля, в результате чего они испытывают рассеяние и, соответственно, достигают регистратора медленнее своих западных «коллег».
Вверху: Одиночное протонное событие над активной областью после увеличения магнитного потока (см. точку «15 февраля»). Внизу: Типичное развитие активной области, давшей вблизи центра солнечного диска одиночную вспышку с потоком ускоренных протонов. В выделенном прямоугольнике – момент вспышки
Протоны от вспышек, возникших на западной части солнечного диска, приходят к орбите Земли с запаздыванием относительно времени вспышки, равным пролетному времени частиц (15-20 минут). То есть, дополнительной временнóй задержки, которая должна возникнуть в случае их порождения ударной волной, не происходит. Следовательно, ускорение этих протонов не может быть связано с ударной волной.
Потоки протонов от вспышки, происшедшей на восточной части диска, могут достичь Земли, распространяясь поперек магнитного поля с солнечным ветром. Следовательно, дрейфовое движение должно привести к задержке прихода фронта протонов от восточной вспышки к Земле на 3-4 дня. В действительности же задержка фронта протонов от восточных вспышек по отношению к солнечной вспышке составляет всего лишь около 3-5 часов, что связано с турбулентным рассеянием на флуктуациях поля. Факт рассеяния дополнительно подтверждается формой спектра протонного потока.
Эти результаты, представленные на международной конференции «Динамика Солнца и ее влияние на процессы на Земле» в Болгарии, были с интересом встречены зарубежными коллегами.
«Исследования связи солнечных космических лучей с корональными выбросами показали, что их генератором является не ударная волна, возникающая после выброса, а сама солнечная вспышка, происходящая над активной областью. При этом сама генерация ускоренных протонов длится около 10 минут, т.е. не превышает длительности самой вспышки.
Условия порождения релятивистских частиц солнечных космических лучей создаются в токовом слое в окрестности особой X-линии магнитного поля. Механизм ускорения протонов во вспышечном токовом слое был продемонстрирован нами с помощью численного моделирования процессов. Спектры смоделированных потоков согласуются с наблюдаемыми, что позволяет говорить об адекватности построенной модели реальным процессам,» – рассказывает Александр Игоревич.
Кроме этого, ученые установили, что потоки протонов, как от восточных, так и западных вспышек, обладают еще и «медленной» компонентой: они продолжают регистрироваться часами после окончания вспышки.
Импульсы потока ускоренных протонов от западных (слева) и восточных (справа) вспышек, измеренные на аппарате GOES. Первоначально – некоторый фоновый поток, затем (отметка 18,5 – для западной и 27 – для восточной вспышек) наблюдается основной поток протонов высоких энергий, который, в свою очередь, сменяется длинным и затянутым «хвостом», вызванным рассеянием протонов в турбулентной плазме
Для объяснения этого явления ученые предложили следующий механизм. В начальный момент времени (около 20-30 мин) протоны распространяются в межпланетной плазме по законам движения частиц в вакууме. Однако через короткий промежуток времени начинают играть роль плазменные процессы, развивается пучковая неустойчивость, и происходит рассеяние протонов в турбулентной плазме. Перенос частиц вдоль поля (от западных вспышек) становиться диффузионным и его скорость уменьшается на несколько порядков, а скорость диффузии поперек поля (от восточных вспышек) возрастает. При этом скорость распространения потока от восточных вспышек может даже превзойти скорость солнечного ветра.
«Конечно, полученные результаты требуют дополнительного подтверждения. И это уже следующий шаг наших исследований – весьма трудоемкий и длительный, но необходимый. Однако уже сейчас можно говорить, что теория порождения космических лучей ударными волнами требует если не пересмотра, то корректировки и дополнительного анализа,» – отметил в заключение Александр Игоревич.
Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»